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专利号: 2021112447995
申请人: 广东工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 控制;调节
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种用于高精度运动平台控制的任意阶S型曲线运动规划方法,其特征在于,包括以下步骤:

步骤1,对高精度运动平台控制所必须的规划指令,即任意阶S型运动规划曲线进行定义;

步骤2,针对所定义的任意阶S型运动规划曲线,构造该运动规划曲线的求导矩阵;

步骤3,根据高精度运动平台的规划距离、最大速度、最大加速度、速度连续、加速度连续要求,建立等效的方程组,通过求解方程组得到任意阶次的S型曲线的表达式;利用该表达式进行高精度运动平台高阶S型曲线的运动规划。

2.根据权利要求1所述的用于高精度运动平台控制的任意阶S型曲线运动规划方法,其特征在于,所述任意阶S型运动规划曲线进行定义,包括:n

n阶S型运动规划曲线的位移表达式是2‑1段且每段均为n次多项式的表达式,Si(t)表示n阶S型运动规划曲线的第i段曲线的位移表达式:

2 3 n n

Si(t)=ai,0+ai,1t+ai,2t+ai,3t+...+ai,nt ,i=1,2,3,...,(2‑1)      (1)其中,ai,0,ai,1,ai,2,...,ai,n表示第i段曲线位移表达式的n+1个系数,t表示时间。

3.根据权利要求1所述的用于高精度运动平台控制的任意阶S型曲线运动规划方法,其特征在于,所述构造该运动规划曲线的求导矩阵,包括:n阶S型运动规划曲线第i段位移曲线表达式Si(t)及其一系列导数的表达式如下:其中,上标(n)表示n阶导数;用列向量x表示第i段曲线未知系数向量,如式(5)所示:T

x=[ai,0,ai,1,ai,2,...,ai,n]                           (5)在进行高精度运动平台的控制时,所用规划指令中通常包含n阶S型运动规划曲线的导数,将每阶导数表达式中的各项系数、求导系数、时间t及其幂级数分开,形成未知系数向量x、时间矩阵Dn、以及求导系数矩阵Cn,其中Dn和Cn其中如式(6)和式(7)所示:将式(4)拆分成由x、Dn、Cn经过特定运算得到的形式,如式(8)所示:Dn(.*)Cn·x      (8)运算(.*)表示将Dn和Cn中相同位置索引的元素相乘;式(8)即为式(4)的矩阵形式,其中Dn(.*)Cn为n阶S型运动规划曲线的求导矩阵,记为Gn:Gn=Dn(.*)Cn                            (9)

4.根据权利要求1所述的用于高精度运动平台控制的任意阶S型曲线运动规划方法,其特征在于,所述根据高精度运动平台的规划距离、最大速度、最大加速度、速度连续、加速度连续要求,建立等效的方程组,包括:n

高精度运动平台控制所需的n阶S型运动规划曲线的位移表达式是2‑1段且每段均为n次多项式的表达式;每一位移分段表达式包含nc个未知数需要确定,则对于n阶S型运动规划曲线,需要确定的未知系数个数记为sn;

其中:

sn=ns×nc

通过n阶S型运动规划曲线的首尾时间节点处的约束条件、n阶S型运动规划曲线的0阶导至(n‑1)阶导在第2个时间节点至第np‑1个时间节点处的连续条件、以及n阶S型运动规划曲线的2阶导至n阶导的特殊约束条件来构造sn个方程。

5.根据权利要求4所述的用于高精度运动平台控制的任意阶S型曲线运动规划方法,其特征在于,对于n阶S型运动规划曲线的首尾时间节点处的约束条件,表示如下:将式(1)代入式(12)可得:

末时间节点 处的约束条件可以用式(14)表示:将式(1)代入式(14)得:

将式(13)和式(15)写成A1X=b1的形式,其中X为未知系数列向量:A1为(2n×sn)的常数矩阵,b1为(2n×1)的常数列向量;利用式(9)的求导矩阵,可以较为方便的写出A1,对于第一个时间节点的约束条件,矩阵A1的部分元素为:A1(j,1:n+1)表示矩阵A1第j行,第1列至第n+1列的元素,下同;G(j,:)|t=0表示时间t=0时的求导矩阵第j行的元素。对于末时间节点的约束条件:表示 时的求导矩阵第j行的元素;同时,b1部分元素为:b1(n+1,1)=Q                               (18)其中,时间节点向量

除了式(16)、(17)、(18)所指定的值,A1和b1的其他元素均为0。

6.根据权利要求4所述的用于高精度运动平台控制的任意阶S型曲线运动规划方法,其特征在于,n阶S型运动规划曲线的0阶导至(n‑1)阶导在第2个时间节点至第np‑1个时间节点处的连续条件,表示为:

将式(1)代入式(19)得:

将式(19)写成矩阵A2X=b2的形式,A2为n×(np‑2)行,sn列的常数矩阵,b2为[n×(np‑2)]×1的常数列向量;利用式(9)的求导矩阵,可以较为方便的写出A2:表示时间t=Tj的求导矩阵第k行的元素;除了式(21)所指定的元素外,矩阵A2其余元素均为0,b2的元素均为0。

7.根据权利要求4所述的用于高精度运动平台控制的任意阶S型曲线运动规划方法,其特征在于,所述阶S型运动规划曲线的2阶导至n阶导的特殊约束条件,表示为:n阶S型运动规划曲线的2阶导至n阶导存在恒等于0的曲线段,且2阶导至n阶导恒等于0的曲线段索引与曲线的阶数和导数有关;通过归纳总结可知,n阶S型运动规划曲线的g阶导数中恒等于0的曲线段索引为:

向量Vn,g为由n阶S型运动规划曲线的g阶导数中恒等于0的曲线段索引组成的行向量,Ln,g为向量Vn,g的长度;

将以上约束条件同样写成矩阵形式A3X=b3,常数向量b3的元素均为0,常数矩阵A3的元素由0和1组成,当n阶S型运动规划曲线的第i段曲线段的n阶导恒等于0时,则该曲线段的系数ai,n等于0;(n‑1)阶导恒等于0时,系数ai,n‑1和ai,n等于0;(n‑2)阶导恒等于0时,系数ai,n‑2、ai,n‑1、ai,n等于0,以此类推;因此,若想让向量X中的某些参数等于0,则让矩阵A3中对应位置的元素值为1即可;经过归纳总结,可以得到A3:其中,Bg为n阶S型运动规划曲线第g阶导中恒等于0的方程组构成的常数矩阵,Vn,g(k)表示向量Vn,g的第k个元素。

8.根据权利要求7所述的用于高精度运动平台控制的任意阶S型曲线运动规划方法,其特征在于,通过求解方程组得到任意阶次的S型曲线的表达式,包括:求得的A1、A2、A3以及b1、b2、b3,可以构造矩阵A和向量b:通过下式即可求得未知系数向量X,则n阶S型运动规划曲线便构造完毕:‑1

X=A b                         (29)

9.根据权利要求8所述的用于高精度运动平台控制的任意阶S型曲线运动规划方法,其特征在于,所述利用该表达式进行高精度运动平台高阶S型曲线的运动规划,包括:在求得系数向量X之后,便可以求得n阶S型运动规划曲线的表达式,根据式(9)可以求得其一系列导数,然后根据采样时间dt计算每个控制周期内发送给控制器的规划指令,从而完成高精度运动平台高阶S型曲线的运动规划。

10.一种终端设备,包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序,其特征在于,处理器执行计算机程序时实现根据权利要求1‑8中任一权利要求所述的用于高精度运动平台控制的任意阶S型曲线运动规划方法的步骤。